Л№2 ОПП 2014 кап строит Ген план / Бекман - Ядерная индустрия (2005)

16

основной изотоп радона, радон-222, отрыт Дорном в 1900; актинон – 219Rn - А.Дебьерном в 1910.

Воктябре 1899 был открыт актиний, а в 1903 - радиоторий (228Th) (О.Хан).

Вистории развития радиохимии можно выделить несколько этапов.

Первый этап (1898-1913) начат исследованиями М.Кюри и П.Кюри, вызвавшими большое число работ, посвященных открытию, изучению свойств, установлению местоположения в периодической системе и генетических связей естественных радиоактивных элементов и изотопов. В этот период было открыто около 40 естественных радиоактивных элементов и изотопов и 5 новых радиоактивных элементов (полоний, радий, радон, актиний, протактиний). Все вновь открытые радиоактивные элементы нашли место в периодической системе элементов и в радиоактивных семействах. Новые элементы были подробно исследованы с химической точки зрения. Удалось сформулировать правила превращения радиоактивных изотопов элементов одних элементов в другие.

Был предложен механизм радиоактивного процесса как явления самопроизвольного распада химических элементов (Э.Резерфорд, Ф.Содди, 1902), доказан статистический характер радиоактивных превращений (Э. Швейдлер, 1903). В 1903 Э.Резерфорд, Ф.Содди выдвинули идею радиоактивных рядов – продуктов распада урана и тория – генетически связанных радионуклидов. В 1906 Кэмбеллом открыта радиоактивность калия и рубидия. Химиками было доказано, что различные изотопы свинца являются конечным продуктом трех естественных радиоактивных семейств (Дж. Грэй, 1909), в цепочке превращений один из элементов – радиоактивный инертный газ – радон, а альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные ионы гелия (Э.Резерфорд, Т.Ройдс, 1909). В 1912 произошло открытие изотопов - обнаружено существования атомов неона с массой 20 и 22 (Дж. Дж. Томсон),

Проводившиеся в период с 1905 по 1912 исследования продуктов распада урана, тория и актиния (RdTh, MsTh1, MsTh2, RaA, RaE, AcB и др.) привели в 1913 к обнаружению изотопов и явления изотопии у радиоактивных элементов (Ф.Содди). Окончательное доказательство существования изотопов среди продуктов радиоактивного распада дал Дж.Дж.Томсон в 1918. Большое значение имело установление правила смещения при радиоактивном распаде - правило сдвига Содди – Фаянса (Ф.Содди, К.Фаянс независимо друг от друга, а так же А.С.Рассел, 1913). Все обнаруженные и изученные в этот период радиоактивные вещества оказались изотопами таллия, свинца, висмута, полония, радия, актиния, тория, протактиния и урана. Были высказаны предположения о возможности существования изотопов высшего порядка – ядерные изомеров (Ф.Содди, 1917) и явления ядерной изомерии (Ст. Мейер, 1918). В 1921 О.Хан открыл явления изомерии атомных ядер, на примере протактиния-234. Были установлены закономерности изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада, опубликованы первые работы по влиянию температуры на эманирование твердых тел (А.С.КоловратЧервинский, 1906), измерен коэффициент диффузии эманации радия в воздухе (П.Кюри, Ж.Данн, 1903). К этому периоду относится изготовление первого международного радиевого эталона (М.Кюри, А.Дебьерн) и начало работ по разделение изотопов (метод газовой диффузии (Ф.

Астон, 1913)).

Термин «радиохимия» введен в науку в 1910 году А.Камероном в его книге «Радиохимия».

Началом второго этапа (1913-1934) можно считать исследования К.Фаянса и Ф.Панета, выполненные в 1913 г., и посвященные изучению общих закономерностей поведения ничтожно малых количеств естественных радиоактивных элементов и их изотопов в процессах соосаждения и адсорбции. В результате этих исследований были сформулированы правила соосаждения адсорбции Фаянса-Панета. и О.Хана, а также закон сокристаллизации В.Г.Хлопина (1924). Разработана термодинамическая теория изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А.П.Ратнер, 1933). В 1914 Г.Хевеши методом диффузии удалось разделить химически неделимых радиоэлементы. В 1915 Г.Хевеши и Ф.Панет разработали метод радиоактивных индикаторов (метод меченых атомов), с помощью которого были изучены

17

процессы самодиффузии и изотопного обмена в соединениях свинца. А в 1923 Д.Хевеши - применил метод меченых атомов к биологическим проблемам (он исследовал поглощение растениями свинца из раствора). В 1920 он же открыл - явление изотопного обмена (Г.Хевеши). На этом этапе развития радиохимии обнаружены явления коллоидообразования радиоактивных изотопов висмута и полония и были проведены первые работы по электрохимии радиоактивных элементов. О.Ханом и Ф.Штрассманом продолжалось подробное изучение процессов влияния термических воздействий на процессы выделения радона из твёрдых тел – процессов эманирования.

На развитие радиохимии в значительной мере стимулировалось потребностями ядерной физики. Создание разнообразных методов осуществления ядерных реакций потребовало привлечение радиохимиков и их специфических методик для выделения и химической идентификации продуктов ядерных реакций. Э.Резерфорд ещё в 1918 провёл первую трансмутацию элементов с помощью альфа-частиц (попутно открыв протон). Но число ядерных реакций с участием альфа-частиц ограничено. Более перспективным оказалось использование ускорителей заряженных частиц (в первую очередь - протонов). В 1930 состоялся пуск циклотрона (Э.Лоуренс, М.Ливингстон), в 1931 - электростатического ускорителя заряженных частиц (генератор Р.Ван де Граафа), 1932 - установки для искусственного ускорения протонов – каскадный генератор (ускоритель Дж. Кокрофта – Э.Уолтона). Первое расщепление ядра частицами, ускоренными в циклотроне (Э.Лоуренс, М.Ливингстон, М.Уайт) произошло в 1932.В том же году удалось осуществить первую ядерную реакцию с искусственно ускоренными протонами – трансмутация ядер лития (Дж. Кокрофт и Э.Уолтон). В том же году было достигнуто первое расщепление ядра частицами, ускоренными в циклотроне (Э.Лоуренс, М.Ливингстон, М.Уайт).

Начало третьего этапа развития радиохимии (с 1933) совпадает с открытием нейтрона (Чедвиг, 1932) и искусственной радиоактивности (И.Кюри и Ф.Жолио-Кюри, 1934 г.). В 1933 была продемонстрирована возможность получения мощных источников быстрых нейтронов при помощи ускорителей и открытие (d, n) и (р, n) реакций (Ч.Лауритсен). Одновременно был открыт ядерный фотоэффект – фоторасщепление дейтрона (Дж. Чэдвик, М.Гольдхабер) и расщепление бериллия гамма-квантами (Л.Сцилард, Т.Чалмерс). В 1935 Р.Оппенгеймер и М.Филлипс рассмотрели ядерную реакцию срыва, а П.Мун, Дж. Тильман доказали резонансный характер взаимодействия медленных нейтронов с ядрами.

Вте же годы были созданы ускорители заряженных частиц: циклотроны, бетатроны, ускорители Ван-де-Граафа. Сообщая заряженным частицам энергию в десятки миллионов электрон-вольт, эти устройства позволили получить радиоактивные изотопы многих элементов середины Менделеевской системы. Возникла область радиохимии, направленная на химическое изучение ядерных реакций и выделение получаемых радиоактивных продуктов.

Вэтот период устанавливается возможность искусственного получения радиоактивных изотопов почти всех известных стабильных элементов, открываются ядерные реакции, имеющие исключительно важное значение для получения радиоактивных изотопов и синтеза новых элементов, в том числе и трансурановых. В 1937 К.Перрье, Э.Сегре осуществили синтез первого искусственного элемента – технеция (бомбардировкой ядер молибдена дейтронами), Э.Сегре получил астат (1940), М.Перей открыл франций (1939), в 1940 Э.Макмиллан, П.Абельсон синтезировали нептуний-239 (β-излучатель), а Г.Сиборг, Э.Макмиллан, А.Валь, Дж. Кеннеди, Э.Сегре плутоний (в том числе плутоний-239.) В 1947 в продуктах деления урана был обнаружен один новый элемент – прометий.

Начиная с 1932 ядерные реакции осуществляют в основном с помощью нейтронов. Особенно это направление усилилось после открытия Э.Ферми явления замедления нейтронов в веществе. В 1939 он обнаруживает странное поведение урана под действием тепловых нейтронов, которое объясняет тем, что возникающий радионуклид является трансурановым элементов. Радиохимики О.Ган и Ф.Штрассман повторили эксперименты Ферми с ураном. В

18

ходе облучения урана нейтронами они обнаружили радиоактивность, соосаждающуюся с солью бария. Возникло предположение, что в результате реакции урана с нейтроном выделилось две альфа-частицы и получился тяжёлый изотоп радия, который и выделялся с барием. Однако все попытки разделить дробной кристаллизацией бариевую соль и радиоактивность не дали результатов, в то время как эту радиоактивность удалось относительно легко отделить от одного из известных изотопов радия. Правильную интерпретацию этих опытов дали Л.Мейтнер и её племянник О.Фриш в 1939, заключив, что в результате ядерной реакции образуется радиоактивный изотоп бария. Возникла идея вынужденного под действием нейтронов деления урана на два осколка примерно равной массы. Л.Мейтнер ввела понятие «деление ядра». О.Фриш, Ф.Жолио-Кюри, Г.Андерсон и Дж. Даннинг получили надёжное экспериментальное доказательство деления ядра урана на два осколка и осуществли непосредственное измерение энергии деления. Открытие деления урана имело решающее значение для создания ядерного оружия и ядерной энергетики.

Весь 20-тый век радиохимики интенсивно исследовали свойства радиоактивных изотопов, в первую очередь элементов - не имеющих стабильных изотопов. Проводится идентификация элементов, вплоть до 114-го элемента (Г.Сиборг, А.Гиорсо, Г.Н.Флеров). При этом вводится актинидная теория Сиборга и проводится её экспериментальная проверка.

В 1934 Л.Сциллард и Т.Чалмерс обнаруживают своеобразные химические эффекты при процессах захвата атомными ядрами медленных нейтронов. В результате был создан метод ядер отдачи.

Одновременно были изучены химические последствия при изомерных переходах, β- распаде и К-захвате. Широкое развитие исследований в этой области привело к созданию новых направлений в радиохимии, например химии «горячих» и многократно ионизированных атомов, а также к созданию ядерной химии и химии процессов, индуцированных ядерными превращениями. Возникает ядерная индустрия, включающая в себя ядерное материаловедение.

Современное состояние радиохимии характеризуется развитием химии процессов деления и осколочных продуктов, а также химии и технологии ядерного горючего. Широкое развитие получают исследования ядерных превращений на частицах высокой энергии (реакции глубокого расщепления. Необычайно бурно развивается прикладная радиохимия, т.е. применение радиоактивных элементов во всех областях химических исследований. Некоторые из них: геохронология, определение возраста горных пород и датировка геологических событий, радиоуглеродный метод, метод радиоактивного диффузионного газового зонда, диффузионноструктурный анализ, мессбауэровские диамагнитные зонды, активационный анализ, химия позитрония и мюония. Радиохимия находит применение в экологии и медицине (новые методы переработки отходов (мембраны – полимерные и керамические), планарные адсорбенты и аппараты регулярной структуры, новые методы отверждения отходов, процессы диффузии радионуклидов, миграция радионуклидов в природных средах, состояние радионуклидов в воде, воздухе и почве, фармпрепараты, и др.

В настоящее время радиохимия занимается такими проблемами, как получение урана из очень разбавленных растворов (например, выделение его из морской воды), выделение трансплутониевых элементов в условиях высоких радиационных нагрузок, выделение ценных компонентов из отработанного топлива, глубокая очистка контурных вод энергетических ядерных установок и т.д. Решение этих задач связано с дальнейшим исследованием состояния и поведения радиоактивных нуклидов при процессах соосаждения, хроматографии, при электрохимических процессах. Чрезвычайно важные задачи ядерная технология ставит перед радиохимическим анализом (контроль чистоты ядерных материалов, определение степени выгорания, изотопного состава и содержания делящихся материалов в ядерном топливе и др. На современном этапе все более широкое развитие приобретает прикладная радиохимия.

Радиоактивные нуклиды и радиоактивные излучения находят применение в самых различных областях науки и народного хозяйства.

19

9.Ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом

В1853 г. французский физик Антуан-Филибер Массон заметил, что высоковольтный разряд между электродами в стеклянной трубке, содержащей газ при очень низком давлении, порождает красноватое свечение (такие трубки явились первыми предшественниками современных неоновых трубок). Когда другие экспериментаторы принялись откачивать газ из трубки до большего разрежения, свечение начало распадаться на сложную последовательность отдельных светящихся слоев, цвет которых зависел от типа газа в трубке. Английский физик и химик Уильям Крукс с помощью усовершенствованного вакуумного насоса достиг довольно большого разрежения и обнаружил, что свечение исчезло, а стенки стеклянной трубки флуоресцируют зеленоватым светом. При этом оказалось, что лучи выходят из отрицательного электрода (помещенный внутрь трубки крестообразный предмет отбрасывал тень на противоположную стенку), и что лучи состоят из некоторой субстанции и несут отрицательный электрический заряд (ударяясь о лопасти легкого колесика, лучи приводили его во вращение, а пучок лучей отклонялся магнитом в сторону, соответствующую отрицательному заряду). В 1878 г. Крукс предложил гипотезу о том, что флуоресценцию вызывают лучи, ударяющиеся о стеклянные стенки. Так как отрицательный электрод называется катодом, испускаемое стенками излучение получило название катодных лучей. (У.Крукс в 1886 первым высказал мысль о неодинаковости атомов одного и того же элемента, т.е. предсказал явление изотопии).

Замечание. Интересно, что У.Крукс открыл таллий (1861) и гелий (1895, вместе с У.Рамзаем), а также обнаружил сцинтилляции и создал прибор для их наблюдения.

Немецкий физик Филипп фон Ленард показал, что катодные лучи могут проникать сквозь окошко в трубке, затянутое тонкой алюминиевой фольгой, и ионизовать воздух в непосредственной близости от окошка. Загадка разрешилась позднее, в 1897 г., когда английский физик Дж.Дж. Томсон установил природу частиц в катодных лучах. Он не только открыл электрон, но и измерил отношение e/m заряда электрона к массе.

В1893 немецкий физиолог и физик Герман фон Гельмгольц предсказал, что излучение, подобное свету, но с достаточно короткой длиной волны, могло бы проникать в твердые материалы. В то время такое излучение не было известно. Немецкий физик Вильгельм-Конрад Рентген (ректор Вюрцбургского университета) в 1894 приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках. Сначала он повторил некоторые из более ранних экспериментов, в частности показав, что исходящие из окошка Ленарда катодные лучи (тогда еще неизвестные) вызывают флуоресценцию экрана, покрытого цианоплатинитом бария. Однажды (8.11.1895) Рентген, чтобы облегчить наблюдения, затемнил комнату и обернул трубку Крукса (без окошка Ленарда) плотной непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом платиносинеродистым барием, полосу флуоресценции. Флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку, так что источником излучения являлась именно трубка, а не какаянибудь другая часть цепи. Экран флуоресцировал на расстоянии двух метров от трубки, что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей. Следующие семь недель он провел, исследуя явление, которое он назвал икс-лучами (т.е. неизвестными лучами). Тень, которую отбрасывал на флуоресцирующий экран проводник от индукционной катушки, создававшей необходимое для разряда высокое напряжение, навела Рентгена на мысль об исследовании проникающей способности Х-лучей в различных материалах. Он обнаружил, что Х-лучи могут проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Держа небольшой свинцовый диск между разрядной трубкой и экраном, Рентген заметил, что свинец непроницаем для икс-лучей, и тут сделал поразительное открытие: кости его руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей. Вскоре он обнаружил, что икс-лучи вызывают не только свечение экрана, покрытого платиносинеродистым барием, но и потемнение фотопластинок (после проявления) в тех местах, где икс-лучи попадают на фотоэмульсию. Так Рентген стал первым в

20

мире радиологом. В честь него икс-лучи стали называть рентгеновскими лучами. Широкую известность приобрела выполненная Рентгеном в рентгеновских лучах фотография (рентгенограмма) кисти жены. На ней, как на негативе, отчетливо видны кости (белые, так как более плотная костная ткань задерживает икс-лучи, не давая им попасть на фотопластинку) на фоне более темного изображения мягких тканей (задерживающих икс-лучи в меньшей степени) и белые полоски от колец на пальцах. Медики сразу осознали значение рентгеновского излучения для диагностики. Рентген стал первым (1901 г.) лауреатом Нобелевской премии по физике.

Немецкий физик Макс фон Лауэ высказал предположение, что коротковолновый характер рентгеновского излучения можно было бы доказать, используя в качестве дифракционной решетки регулярно расположенные атомы в кристалле. Дифракционная решетка состоит из серии штрихов, проведенных на одинаковом (малом) расстоянии друг от друга на поверхности стеклянной или металлической пластинки. При рассеянии света на таких пластинках возникает сложный узор из светлых и темных пятен, вид которого зависит от длины волны падающего на решетку света. Но оптические дифракционные решетки были слишком грубы для того, чтобы на них могла происходить дифракция излучения со столь короткими длинами волн, как те, которые ожидались в случае рентгеновского излучения. В 1913 г. эксперимент, предложенный фон Лауэ, был поставлен Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом. Была открыта интерференция рентгеновских лучей в кристаллах, что подтвердило волновую природу рентгеновского излучения. На базе этого открытия впоследствии был создан рентгеноструктурный анализ твердых тел.

В 1895 французский физик А. Беккерель открыл, что чистый уран и его соли испускают ионизирующее излучение. В 1898-1900 Э.Резерфорд, М. и П.Кюри и П. Виллар определили состав радиоактивных лучей, доказав существование альфа- и бета-лучей. В 1900 П.Вийяр идентифицировал гамма-лучи. В 1903 В.Рамзай и Ф.Содди обнаружили образование гелия при

α-распаде.

Рис.4. Схема эксперимента, иллюстрирующего отклонение разных видов радиоактивного излучения в магнитном поле.

Приведём дальнейшие этапы развития представлений об ионизирующем излучении.

1906 Открытие характеристического рентгеновского излучения (Ч. Варила).

1907 Первое определение длины волны рентгеновских лучей

(В.Вин).

1908 Изучение рассеяния альфа частиц на тонких фольгах (Г.Гейгер). Характеристическое рентгеновское излучение, как фундаментальное свойство атома (Ч.Баркла, Ч.Сандлер).

1909 Доказательство, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия (Э.Резерфорд, Т.Ройдс).

1910 Измерение заряда электрона (Р.Милликен). Первое определение энергии бета-частиц по их отклонению в магнитном поле (О.Байер, О.Хан).

1911 Теория рассеяния альфа-частиц в веществе (Э.Резерфорд). Постоянные распада α- излучателей связаны с длиной пробега α-частиц (Зависимость между временем жизни и энергией распада радиоактивных ядер - закон Г.Гейгера - Дж.Нэтолла). Вывод формулы для эффективного поперечного сечения рассеяния нерелятивистских заряженных точечных частиц, взаимодействующих по закону Кулона (формула Э.Резерфорда).

1912 Дифракция рентгеновских лучей на кристалле сульфида цинка (М.Лауэ). Формулировка условия дифракции падающего на кристалл монохроматического потока рентгеновских лучей

21 (формула Л.Брэгга - Ю.В.Вульфа). Открытие явления дифракции (интерференции) рентгеновских

лучей при прохождении их через кристаллы (М.Лауэ). Разработка теория интерференции рентгеновских лучей на кристаллах и использование их в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей (М.Лауэ). Экспериментальное доказательство периодичности атомной структуры кристаллов, существования кристаллической решетки (Г. и Л.Брэгги).

1913 Закон Мозли: длина волны рентгеновского характеристического излучения элемента определяется зарядом его ядра; зависимость квадратного корня из частоты характеристического излучения от порядкового номера элементов (Г.Мозли). Рентгеновский спектрометр (Г.Брэгг). Положено начало рентгеноструктурному анализу (Г. и Л.Брэгги, Ю.В.Вульф) и рентгеновской спектроскопии. Разработана теория дифракции рентгеновских лучей (Ч.Г.Дарвин). Предсказание диффузионного рассеяния рентгеновских лучей колебаниями кристаллической решетки (П.Дебаи, Л. Бриллюэн).

1914 Объяснение возникновения рентгеновских спектров излучения, исходя из представлений об электронных оболочках атома, которые создают вокруг ядра последовательные слои (В.Коссель). Открытие непрерывного спектра энергии бета-излучения (Дж. Чэдвик). Доказательство идентичности рентгеновских спектров изотопов, окончательное подтверждение равенства порядковых номеров у изотопов данного элемента (Э.Резерфорд, Э.Андраде). Дифракция гаммалучей на кристалле, доказательство их электромагнитной природы (Э.Резерфорд, Э.Андраде).

1915 Установлен коротковолновый предел непрерывного спектра рентгеновских лучей.

1916 Метод исследования структуры поликристаллических материалов при помощи дифракции рентгеновских лучей (метод П.Дебая – П.Шеррера). Построение динамической теории рассеяния рентгеновских лучей (П.Эвальд).

1917 Первая удачная рентгеноспектрограмма (Э.Вагнер).

1919 Сателлиты в рентгеновских спектрах (М.Сигбаи). Объяснение происхождения линейчатого, спектра бета-излучения.

1922 Согласование корпускулярных и волновых свойств излучений в рамках единой теории – корпускулярно-волновой дуализм, идея дифракции электрона (Л. Де Бройль). Разработка систематики сложных спектров (А.Ланде, Ф.Хундом, Г.Рассел).

1923 Идея о волновых свойствах материи (волны де Бройля). Эта идея Л. де Бройля о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма легла в основу квантовой механики Шредингера. Открытие явления рассеяния коротковолнового излучения на свободном или слабо связанном электроне (эффект А. Комптона); экспериментальное доказательство существования фотона, постулированного в 1905 А.Эйнштейном; теоретическая интерпретация этого явления (А.Комптон, П.Дебай). Камера Вильсона помещена в сильное магнитное поле: наблюдение искривления треков альфа-частиц (П.Л.Капица, Д.В.Скобельцын).

1925 Идея использования кристалла для наблюдения дифракции электронов и доказательства их волновой природы (В.М.Эльзассер). Доказательство справедливости законов сохранения энергии и импульса при рассеянии гамма-квантов на электронах для каждого элементарного акта рассеяния (В.Боте, Г.Гейгер).

1927 Доказательство справедливости законов сохранения энергии и импульса при рассеянии гамма-квантов на электронах для каждого элементарного акта рассеяния (В.Боте, Г.Гейгер). 1929 Открытие дифракции атомов и молекул (О.Штерн). Создание квантовой теории эффекта Комптона; уравнение, описывающее рассеяние электронов в этом эффекте (уравнение О.Клейна

– И.Нишины).

1930 Возникновение сильнопроникающего излучения при бомбардировке α-частицами бериллия (нейтроны, В.Боте, Г.Беккер).

1931 Обнаружение протонов отдачи (И. и Ф.Жолио-Кюри).

1933 Образование электрон-позитронных пар из жесткого гамма-кванта (И. и Ф.Желио-Кюри К.Андерсон, П.Блэкетт, Дж.Оккиалини); механизм этого явления установил Р.Оппенгеймер.

- Открытие электронно-позитронных ливней в космических лучах (П.Блэкетт, Дж. Оккиалини).

22

1934 Предсказание существования комптоновских процессов более высоких порядков, в которых в одном элементарном акте создаются два или более рассеянных квантов (В.Гайтлер, Л.Нордгейм). Открытие внутренней конверсии гамма-лучей с образованием электроннопозитронных пар (А.И.Алиханов, А.И.Алиханьян, Н.С.Козодаев). Открытие свечения чистых прозрачных жидкостей под действием гамма-лучей (эффект С.И.Вавилова – П.А.Черенкова). Разработка теории радиационных потерь электрона при движении в веществе (Х.Бете, В.Гайтлер).

1936 Открытие дифракции нейтронов (Д.Митчелл, X. Халбан, П.Прейсверк). Поляризация нейтронов при прохождении через намагниченное железо (эффект Ф.Блоха). Первые измерения сечения захвата нейтронов протонами (Э.Ферми, Э.Амальди).

1937 Разработка теории эффекта Вавилова – Черенкова (И.Е.Таммом, И.М.Франком).

1942 Метод восстановления кристаллической структуры по ее дифракционной картине; идея рентгеновского микроскопа (Л.Брэгг).

1944 - Предсказание синхротронного излучения (Д.Д.Иваненко, И.Я.Померанчук, открыто в 1946 Блюитом).

1945 Основы нейтронографии (Э.Ферми).

1948 Первое наблюдение когерентного рассеяния нейтронов (К.Шулл).

1949 Графический метод представления амплитуд рассеяния частиц (диаграммы Р.Фейнмана). 1950 - Первое наблюдение индуцированного излучения (Э.Парселл и Р.Паунд)

1952 - Открытие излучения нейтронов и жестких гамма-лучей во время мощных импульсных разрядов в газах (Л.А.Арцимович, М.А.Леонтович).

1954 - Создана рентгеноэлектронная спектроскопия (К.Зигбан). 1963 Обнаружен «эффект теней» (А.Ф.Туликов).

10.Методы измерений

Всфере создания фундаментальных основ ядерной индустрии существенную роль сыграло развитие экспериментальной техники, включая методы регистрации радиоактивных излучений (детекторы, счётчики и спектрометры радиоактивных излучений), точные методы регистрации зарядов и масс элементарных частиц, атомов и ионов (например, массспектрометры).

Как уже упоминалась, А.Беккерель при определении радиоактивности солей урана использовал фотографический способ регистрации излучений. Впоследствии на базе использования фотоэмульсий была создана техника авторадиографии. Сначала использовалась тонкослойная авторадиография для контроля за распределением радиоактивного вещества по поверхности образца. В 1925 разработан метод толстослойных ядерных фотоэмульсий (трековая авторадиография, Л.В.Мысовский), который сначала был применён для определения энергии альфа-частиц, а потом - для исследования космических лучей (М.Блау, 1936). Этим же методом получена фотография следа протона и расщепления ядра азота альфа-частицами, т.е. осуществлено первое наблюдение ядер отдачи (П. Блэкетт, 1925). В 1946 Созданы ядерные фотоэмульсии высокой чувствительности (С.Пауэлл). В 1948изобретена нейтронная радиография (Х.Кальман).

М. и П.Кюри следили за радиоактивностью с помощью электроскопов (прибор для обнаружения и измерения электрического заряда), т.е. использовали эффект ионизации воздуха ионизирующем излучением. Со временем, развитие этой техники привело к созданию ионизационных камер (сначала – токовой, потом – импульсной). Ионизационная камера – прибор для регистрации и спектрометрии частиц, представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом. Её действие основано на измерении электрического заряда, возникающего при ионизации газа отдельной частицей либо потоком частиц за определённый промежуток времени.

23

Резерфорд изучал взаимодействие альфа-частиц с веществом с помощью сцинтиллирующего экрана на базе сульфида цинка. В сцинтилляторах (люминофорах) под действием ионизирующего излучения возникают световые вспышки – сцинтилляции. На базе этого явления был разработан сцинтилляционный детектор, предназначенный для регистрации и спектрометрии частиц.

Существенную роль сыграло изобретение прибора для регистрации отдельных заряженных частиц (счетчик Г.Гейгера – В. Мюллера, 1908). Гейгеровский счётчик представляет собой газонаполненный диод (обычно цилиндрический) с тонкой нитью в качестве анода. Действие основано на возникновении в газе в результате его ионизации (при пролёте частицы) электрического разряда (коронного). Со временем счётчик Гейгера-Мюллера был модифицирован в пропорциональный счётчик спектроскопического типа, который оказался особенно эффективным при регистрации мягкого гамма и рентгеновского излучения.

Дальнейшее развитие систем детектирования ионизирующего излучения привело к разработке метода совпадений (В.Боте, 1924). В 1929 этот метод был применён для исследования космических лучей (опыты В.Боте – В.Кольхерстера). Было обнаружено, что первичное космическое излучение состоит из заряженных частиц. В 1939 в технику измерений внедрён сцинтилляционный счетчик (X. Кальман). В 1945 изобретен кристаллический (полупроводниковый) счетчик (Г.Ван Хеерден) на котором базируется современная электронная счётная аппаратура. В 1946 - создан нейтронный спектрометр. В том же году Б.М.Понтекорво) предложил метод детектирования нейтрино путём использования реакции 37C + ν → 37Ar + e–.

В1947 излучение Вавилова – Черенкова впервые использовано для регистрации быстрых частиц.

Врадиометрию вошли черенковские счетчики (И.Геттинг).

Помимо ионизационных спектрометров были созданы и специфические спектрометры, предназначенные для измерения энергетического спектра излучения. Так, в 1912 создан рентгеновский спектрометр (Г.Брэгг), а также магнитный спектрометр с фокусировкой и фотографической регистрацией (Дж. Даныш, Э.Резерфорд, Г.Робинсон), что позволило непрерывного спектра энергии бета-излучения (Дж. Чэдвик, 1914). В 1935 создан первый селектор скоростей для медленных нейтронов (Дж. Даннинг, Дж. Пеграм, Д.Митчелл, Э.Сегре, Дж. Финк). В 1945 создан нейтронный спектрометр.

Ванализе излучений особо эффективными оказались магнитные спектрометры. По отклонению в магнитном поле в 1900 радиоактивное излучение было разделено на три компонента: альфа-, бета- и гамма-лучи. С их помощью в 1910 было проведено первое определение энергии бета-частиц по их отклонению в магнитном поле (О.Байер, О.Хан). В 1912 создан спектрометр с магнитной фокусировкой (Дж. Даныш).

Визмерении массы атомов и заряженных частиц существенную роль сыграли массспектрометры. Принцип действия масс-спектрографа предложен Дж.Дж. Томсоном (1907). Он же предложил «метод парабол» для определения относительных масс частиц ионных пучков (1911). На базе точных измерений масс П.Ланжевен ввёл понятие дефекта массы (1913), сыгравшего существенную роль при энергетических расчётах ядерных реакций. Первый масс-спектрометр построен А.Демпстером (1918). В 1919 Ф.Астон сконструировал масс-спектрограф с достаточно высокой разрешающей способностью. В 1927 он получил экспериментальное доказательство, что масса ядра не равна сумме масс входящих в ядро частиц, а меньше этой величины на несколько десятых процента.

В1912 изобретен прибор для наблюдения следов заряженных частиц (камера Ч. Вильсона). Это был первый трековый детектор заряженных частиц. Действие основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В 1923 камера Вильсона была помещена

всильное магнитное поле, что позволило наблюдать искривления треков альфа-частиц (П.Л.Капица, Д.В.Скобельцын). В 1933 создана камера Вильсона, управляемая счетчиками (П.Блэкетт, Дж. Оккиалини). В 1939 изобретена диффузионная камера (Лангсдорф).

24

Рост энергий частиц, задействованных в ядерной физике и физике элементарных частиц, привёл к созданию новых типов детекторов. В 1948 был изобретен искровой счетчик (Дж. Кейфель), а в 1957 искровая камера (Т.Краншау, Дж. де Вир).

Развитие техники эксперимента по исследованию ионизирующих излучений привело к открытию новых эффектов, существенно продвинувших исследование структуры вещества. В качестве примера можно упомянуть 1958 открытие явления ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффект Р.Мессбауэра, 1958). К другим примерам относится электронный микроскоп, туннельный микроскоп, метод нейтронографии и др. Идею электронного микроскопа предложил Г.Буш в 1922. Годом изобретения электронного микроскопа считается 1929. В 1936 изобретен автоэлектронного микроскопа (Э.Мюллер), а в 1937 электронный растровый микроскоп (М.Арденне). В 1970 состоялось долгожданное наблюдение отдельных атомов при помощи сканирующего электронного микроскопа.

11. Ускорители

Важное направление развития техники эксперимента связано с созданием ускорителей заряженных частиц и ионов. До создания ускорителей, в руках физиков находился лишь один инструмент осуществления ядерной реакции – альфа-частицы, образующиеся при распаде радионуклидов. Они использовались или непосредственно, например, для превращения азота а кислород, либо косвенно – для генерации нейтронов (радио-бериллиевые или полонийбериллиевые источники нейтронов), с последующим их использованием для осуществления ядерных реакций. Создание ускорителей электронов, протонов, дейтронов, ионов отдельных элементов и т.п. существенно расширило возможности экспериментаторов, поскольку позволило варьировать в широких пределах массу и заряд бомбардирующей мишень частицы, поток частиц

и их энергию. Ускорители являются также источниками пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов), получаемых при взаимодействии первичных частиц с вещесьтвом. В

настоящее время ускорители широко используются в ядерной физике и физике элементарных частиц и физике твёрдого тела, а также в дефектоскопии и лучевой терапии.

Рис.5. Генератор Ван-де-Граафа можно превратить в ускоритель, добавив вакуумную трубку. Заряженные частицы из источника, находящегося внутри сферического высоковольтного электрода, вводятся в трубку и ускоряются в направлении мишени. 1 – кожух; 2 – резиновая лента; 3 – источник частиц; 4 – высоковольтный электрод;

5 – вакуумная трубка; 6 – мишень.

Первым ускорителем электронов в сущности была трубка Крукса. Но реальностью ускорители стали только в конце 20-х годов. На первом этапе основной вклад в создание ускорителей

внесли Р. Ван де Граф, Дж.Кокрофт и Э.Лоуренс.

1924 - Получение кратковременных магнитных полей напряженностью до 500 тысяч эрстед (П.Л.Капица).

1925 - Ядерные реакции под действием ускоренных протонов (Дж.Кокрофт Э.Уолтон). 1925 - - Идея линейного резонансного ускорителя (Г.А.Изинг).

1930 - - Пуск циклотрона (Э.Лоуренс, М.Ливингстон).

1931 - Создание электростатического ускорителя заряженных частиц (генератор Р.Ван де Граафа).

1932 - Осуществление первой ядерной реакции с искусственно ускоренными протонами – трансмутация ядер лития (Дж. Кокрофт и Э.Уолтон).

25

1932 - Пуск установки для искусственного ускорения протонов – каскадный генератор (ускоритель Дж. Кокрофта – Э.Уолтона).

Рис.5. Линейный ускоритель. Частицы ускоряются в промежутках между дрейфовыми трубками. Внутри дрейфовых трубок они движутся с постоянной скоростью. Длина каждой трубки немного больше, чем предыдущей, и изменяется в пределах от 10 до 20 см, достигая постоянного значения в конце ускорителя, где скорость частиц становится близкой к скорости света. 1 – источник ионов (инжектор); 2 – ускоряющее напряжение;

3 – дрейфовая трубка; 4 – длинная линия; 5 – пучок.

Рис.6. Космотрон в Брукхевене. Ускорял протоны до энергии 3 ГэВ. Внизу – поперечное сечение ускоряющей системы. 1 – 90°-й магнит; 2 – мишень; 3 – прямолинейный участок; 4 – равновесная орбита; 5 – инжектор; 6 – ускоряющая система; 7 – ферритовый сердечник; 8 – пучок частиц; 9 – ускоряющее напряжение.

1943- Идея кольцевого магнита в ускорителях (М.Олифант) 1944 - Идея микротрона (В.И.Векслер).

1944 - Принцип ускорения частиц – принцип автофазировки, который лег в основу создания новых ускорителей заряженных частиц – фазотрона, синхротрона, синхрофазотрона, микротрона; дал его математическую теорию. (В.И.Векслер, в 1945 этот же принцип предложил Э.Макмиллан, идею автофазировки в 1934 выдвинул Л.Сцилард).

1946 - Пуск линейного ускорителя электронов с бегущей волной (Дж. Фрай).

1946 - Пуск ускорителя, основанного на принципе автофазировки (Говард, Барнес). Р.Вильсон предложил использование в лучевой терапии тяжелых заряженных частиц, в частности протонов (Беркли впервые применено облучение пациента протонами, 1954).

1949 - Идея сильной фокусировки (И.Кристофилос; Э.Курант, М.Ливингстон, Г.Снайдер). 1949 - Идея встречных пучков (Р.Видероэ, дальнейшее развитие - Д.Керст, Г.И.Будкер). 1954 - Пуск протонного синхрофазотрона на 6 млрд. эВ В (Беркли, США).

1956 - Новый способ ускорения частиц движущейся плазмой; идея коллективного метода ускорения (В.И. Векслер).

1958 - Первый тандемный ускоритель отрицательных ионов (Р.Ван де Грааф).

1958 - Пуск протонного синхрофазотрона с жесткой фокусировкой на 28 млрд. эв (ЦЕРН). 1960 - В СССР создан ускоритель многозарядных ионов.

1962 - Создан линейный ускоритель мощных пучков релятивистских электронов – линейный индукционный ускоритель (У.Лэмб). Принцип его действия предложил в 1939 А.Буверс.

1963 - Пуск первых советских ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками (Харьков, Новосибирск).